Low Temperature Thermocouple Guide: Types, Accuracy, and Selection Tips

Inżynier ds. jakości w fabryce mrożonek zadzwonił do nas ze znanym problemem: termopary typu K w zamrażarce spiralnej o temperaturze -40°C wskazywały temperaturę od dwóch do czterech stopni, a błąd wzrastał po każdym cyklu rozmrażania. Kontrolery, kable i złącza zostały przetestowane prawidłowo. Problemem były same czujniki, a raczej rodzaj termopary.

Poniżej około -40°C standardowe termopary ze stopu niklu przestają zachowywać się tak, jak w temperaturach procesowych. Typ T (miedź-konstantan) i typ E (chromel-konstantan) to praktyczny wybór do pracy na zimno i poniżej -100°C platynowy czujnik RTD zwykle ma większą dokładność w obu przypadkach.

W tym przewodniku opisano, które typy termopar rzeczywiście działają w niskich temperaturach, dokładność, jakiej można oczekiwać od każdego z nich, a także błędy instalacyjne, które psują więcej odczytów zimnej pracy niż uszkodzone elementy.

Co liczy się jako niska temperatura w przypadku termopary?

W inżynierii termopar niska temperatura zwykle oznacza temperaturę poniżej -40°C, czyli punkt, w którym elementy typu K i typu N zaczynają tracić jednorodność termoelektryczną, jaką wykazują w temperaturach procesowych. Pomiar kriogeniczny rozciąga się na około -200°C, co stanowi praktyczną podstawę dla stopów termopar na bazie miedzi. Poniżej tego tylko wyspecjalizowane elementy, takie jak chrom, złoto/żelazo, reagują niezawodnie.

Międzynarodowe normy dotyczące termopar, IEC 60584 i ASTM E230, podają zakresy dla każdego typu oznaczonego literą, a wszystkie z nich osiągają temperaturę -200°C lub niższą. Różnica polega na dokładności: tolerancje w tak ekstremalnych temperaturach są dalekie od równych.

Który typ termopary najlepiej sprawdza się w zimnych warunkach?

Typ T — specjalista od niskich temperatur

Typ T to jedyna standardowa termopara zbudowana z miedzianej nóżki i dzięki tej miedzi dominuje w pracy w niskich temperaturach. Miedź o wysokiej czystości jest wyjątkowo jednorodna, dlatego generuje niewiele małych przesunięć napięcia występujących w złożonych stopach niklu. Typ T charakteryzuje się doskonałą dokładnością w zakresie od -200°C do 0°C i jest domyślnym rozwiązaniem dla komór środowiskowych, komór chłodniczych i konfiguracji do testów kriogenicznych. Kompromis jest najważniejszy: miedź utlenia się szybko w temperaturze powyżej 300°C, więc typ T nigdy nie powinien być poddawany cyklowi sterylizacji na gorąco.

Typ E — wysoka moc wyjściowa dla słabych sygnałów

Typ E dostarcza około 60 µV na stopień w temperaturze 0°C, co stanowi najwyższy sygnał ze wszystkich standardowych termopar. Większe napięcie zmniejsza wpływ szumu elektrycznego, co ma znaczenie, gdy poziomy sygnału są małe. Jego powtarzalność w niskich temperaturach zbliża się do typu T, a jego zakres sięga 900°C. Wybierz Typ E, jeśli ta sama sonda musi obsługiwać zarówno przechowywanie w chłodni, jak i etap czyszczenia lub utwardzania na gorąco.

Typ K — koń pociągowy z ograniczeniami

Typ K to najpopularniejsza termopara przemysłowa, która fizycznie będzie działać w temperaturze do -196°C. Ograniczeniem nie jest zasięg, ale stabilność. Stopy niklowo-chromowe podlegają uporządkowaniu magnetycznemu i zmianom sieci o krótkim zasięgu w temperaturach poniżej zera, powoli zmieniając w czasie moc termoelektryczną. Czujnik typu K pracujący stale w temperaturze -80°C może w ciągu kilku miesięcy dryfować o kilka stopni – dokładnie tak jest w przypadku awarii, którą zaobserwowała fabryka mrożonek.

Jeśli proces na zimno przebiega w zakresie od -20°C do -40°C, a tolerancja sterowania wynosi ±3°C lub mniej, akceptowalny jest typ K z dobrym przetwornikiem. Aby uzyskać ścisłą kontrolę, walidację produktu lub cokolwiek poniżej -60°C, wybierz typ T lub czujnik RTD.

Typ J i typ N

Opublikowany zakres dla typu J sięga -210°C, ale jego żelazna nóżka rdzewieje w wilgotnym, zimnym środowisku, a standardowe tabele EMF są najmniej wiarygodne w dolnych granicach. Typ N nie oferuje żadnej mierzalnej przewagi nad typem K poniżej 0°C. Żaden z nich nie jest rozsądnym pierwszym wyborem w przypadku zimnej obsługi.

Klasy dokładności i tolerancji w niskich temperaturach

Dokładność termopary jest określona przez klasy tolerancji w normie IEC 60584. Tolerancja jest większą z ustalonych wartości lub procentu zmierzonej temperatury i oba wzory działają na korzyść pracy na zimno. W temperaturze -100°C nowa, nieużywana termopara powinna mieścić się w następujących granicach:

Traktuj te liczby, biorąc pod uwagę dwie kwestie. Po pierwsze, dotyczą one wyłącznie nowych czujników; starzenie się, cykle termiczne i zanieczyszczenia pogłębiają lukę w usługach. Po drugie, decydujący jest spread: Klasa 1 Typ T w temperaturze ±0,5°C jest trzykrotnie bardziej szczelna niż Klasa 1 Typ K . Jeśli proces toleruje szersze pasmo błędów, typ K jest w porządku; jeśli tak nie jest, pierwszą specyfikacją, którą należy zmienić, jest typ termopary.

Praktyczne obawy, które niszczą instalacje zimnego serwisu

Większość problemów z termoparami niskotemperaturowymi nie wynika z awarii elementów; są to błędy instalacji. Prawie wszystkie z nich dotyczą czterech kwestii:

• Kondensacja. Temperatura poniżej zera powoduje wciągnięcie wilgoci do złączy i główek zacisków, a wynikający z tego równoległy opór może przesunąć odczyt o kilka stopni. Należy używać uszczelnionych złączy, wodoodpornych głowic i sond ze złączami spawanymi.
• Przetaczanie termiczne. Trzpień sondy odprowadza ciepło ze złącza. W jeszcze zimnym gazie odczyt na dużej metalowej osłonie jest niski; sonda cienkodrutowa lub igłowa równoważy się szybciej i powoduje mniejszy błąd bocznikowy.
• Zły przedłużacz. Kabel miedziany tworzy niezmierzone złącza. Użyj przedłużacza dopasowanego do typu termopary i przystosowanego do temperatury otoczenia wzdłuż trasy kabla.
• Kompensacja zimnego złącza. Przy -80°C jeden stopień błędu złącza odniesienia dodaje pełny stopień do odczytu. Należy używać przetworników z automatyczną kompensacją, a nie ze stałą wartością ręczną.

Termopara czy RTD do pracy w niskich temperaturach?

Termopary wygrywają, gdy szybkość reakcji, rozmiar elementu lub zasięg mają większe znaczenie niż absolutna dokładność. Złącze igły ustala się w ciągu kilku sekund, a strefa wrażliwa może znajdować się poniżej milimetra. Czujniki RTD są wolniejsze, większe i bardziej wrażliwe na wstrząsy.

Urządzenia RTD wygrywają, gdy dokładność i stabilność mają większe znaczenie niż prędkość. Klasa A PT100 wytrzymuje ±0,35°C w temperaturze -100°C, a wyższa rezystancja PT1000 zmniejsza błąd przewodu doprowadzającego na długich odcinkach. Właśnie dlatego zamrażarki farmaceutyczne, walidacja łańcucha chłodniczego i referencje laboratoryjne wykorzystują elementy platynowe.

W przetwórstwie spożywczym obie technologie mają tę samą linię. Operatorzy wpychają czujnik igłowy do produktu, aby sprawdzić temperaturę jego wnętrza podczas chłodzenia, gotowania lub rozmrażania; nasz termopara w kształcie igły do przetwarzania żywności jest stworzony do tej pracy. W przypadku stałych punktów, w których higiena ma kluczowe znaczenie, a sonda PT1000/PT100 ze stali nierdzewnej dopuszczonej do kontaktu z żywnością zapewnia długoterminową stabilność, jakiej potrzebuje schłodzony produkt.

Dostawcy czujników temperatury z sondą spożywczą PT100 / PT1000, fabryka Jiangsu Zhaolong Electrics Co., Ltd. jest chińskim dostawcą i fabryką czujników temperatury PT100 PT1000, prowadzimy sprzedaż hurtową PT1000 PT100 NTC... Zobacz produkt →

Hurtownia termopary w kształcie igły (dotyczy pomiaru temperatury Jiangsu Zhaolong Electrics Co., Ltd. to hurtowa chińska termopara w kształcie igły (dotycząca pomiaru temperatury w produktach spożywczych... Zobacz produkt →

Do mapowania termicznego zimnych powierzchni — płyt skraplaczy, wkładek zamrażarek, izolowanych rur — a wysoce precyzyjna, samoprzylepna termopara powierzchniowa typu K instaluje się bez wiercenia. Elementy powierzchniowe są lepsze do mapowania porównawczego niż do dokładności bezwzględnej poniżej -40°C.

Hurtowa, precyzyjna, samoprzylepna termopara typu K do montażu powierzchniowego do Tem Jiangsu Zhaolong Electrics Co., Ltd. to hurtowa chińska, precyzyjna, samoprzylepna termopara typu K do montażu powierzchniowego do pomiaru temperatury... Zobacz produkt →

• Wybierz termoparę, gdy szybkość reakcji, niewielka powierzchnia lub zasięg mają większe znaczenie niż absolutna dokładność.
• Wybierz czujnik RTD, jeśli potrzebujesz stabilnych, powtarzalnych odczytów z błędami na poziomie ±0,5°C.
• Wybierz termoparę igłową lub powierzchniową do kontroli punktowych i badań termicznych; wybierz czujnik RTD dla stałych punktów monitorowania.

Typowe zastosowania niskotemperaturowe

Przetwórstwo spożywcze i łańcuchy chłodnicze

Szybkoschładzarki, zamrażarki spiralne, chłodnie i linie kontrolne wymagają kontroli temperatury w wielu punktach. Czujniki muszą być bezpieczne dla żywności, szybkie i łatwe do czyszczenia, dlatego też poświęcamy dużą część naszej pracy wykrywanie temperatury w maszynach spożywczych . Dominują sondy igłowe i elementy o małej średnicy, ponieważ mierzą rdzeń produktu, a nie otaczające powietrze.

Przechowywanie farmaceutyczne i biologiczne

Łańcuchy chłodnicze szczepionek, zamrażarki plazmy i biobanki przechowują produkt w temperaturze -70°C lub niższej, gdzie kilkustopniowy dryft może zniszczyć partię. Walidacja wymaga identyfikowalnych czujników o udokumentowanej dokładności. W takich środowiskach zwykle stosuje się termopary typu T do krótkotrwałego mapowania i czujniki PT100/PT1000 do stałego monitorowania.

Badania naukowe i instrumenty analityczne

Komory środowiskowe, badania zmęczeniowe i czujniki do przyrządów analitycznych wymagają sond o niskiej masie termicznej, które nie zakłócają próbki. Termopary cienkodrutowe i elementy samoprzylepne są standardem w przypadku profilowania termicznego, natomiast referencyjny czujnik RTD zapewnia punkt kalibracji.

Określanie właściwej sondy niskotemperaturowej

Cztery liczby definiują specyfikację czujnika niskiej temperatury: najniższa temperatura, którą odczuje sonda, maksymalny dozwolony błąd w tej temperaturze, wymagany czas reakcji oraz środowisko — suche, mokre, pod ciśnieniem lub wibrujące. Zdefiniuj te cztery elementy przed porównaniem produktów.

Sonda zbudowana dla pieca o temperaturze 1200°C nie powinna znajdować się w zamrażarce o temperaturze -80°C, a goła termopara, która dobrze sprawdza się w nieruchomym powietrzu, nie przetrwa kąpieli solankowej. Właściwy czujnik dopasowuje złącze, izolację, osłonę i podłączenie do rzeczywistych warunków po stronie zimnej.

Ponieważ produkujemy termopary, czujniki RTD, przetworniki i sterowniki w tym samym zakładzie, możemy dopasować element do przyrządu i zbudować niestandardowe długości, style złączy i mocowania bez typowych opóźnień koordynacyjnych. Jeśli Twój proces przebiega poniżej -40°C i dokładność ma znaczenie, skontaktuj się z nami, przedstawiając specyfikację dotyczącą niskich temperatur , a my potwierdzimy typ i konfigurację czujnika, zanim zaangażujesz się w projekt.